合工大陸劍鋒團隊新突破：瞬時彈射蒸汽爆破實現(xiàn)小龍蝦殼鈣高效回收

合肥工業(yè)大學陸劍鋒教授團隊：瞬時彈射蒸汽爆破預處理結(jié)合超聲輔助有機酸提取實現(xiàn)小龍蝦殼鈣的高效回收

導讀

小龍蝦（Procambarus clarkii）因其獨特風味以及高蛋白、低脂肪的營養(yǎng)特性，已成為我國淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖與食品加工領(lǐng)域的重要經(jīng)濟物種。然而，小龍蝦加工過程中會產(chǎn)生大量殼體廢棄物，其質(zhì)量約占原料總量的40%–60%。若處置不當，這類廢棄物極易引發(fā)異味擴散、環(huán)境污染及生態(tài)破壞，嚴重制約產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。其中，殼體中鈣質(zhì)等資源的綠色、高效回收仍面臨關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

針對傳統(tǒng)強酸脫礦法依賴高濃度無機酸、存在設(shè)備腐蝕嚴重、廢水處理負擔重且易破壞殼體中幾丁質(zhì)、蛋白質(zhì)等天然大分子結(jié)構(gòu)的問題，合肥工業(yè)大學食品與生物工程學院陸劍鋒教授團隊從綠色加工與高值化利用的角度出發(fā)，提出一種以瞬時彈射蒸汽爆破（Instant Catapult Steam Explosion，ICSE）為核心的創(chuàng)新型物理預處理技術(shù)，并與溫和有機酸提取相結(jié)合的鈣回收新策略。近日，該成果已發(fā)表于《Bioresource Technology Reports》（JCR 1區(qū)，IF 2025=4.3）。通過調(diào)控ICSE 預處理壓力與時間參數(shù)，可有效破壞殼體致密的微觀結(jié)構(gòu)，降低顆粒尺度并改善內(nèi)部傳質(zhì)特性，從而為后續(xù)鈣的溶出與選擇性釋放創(chuàng)造有利條件。

研究表明，適當?shù)乃矔r爆破預處理能夠顯著提高殼體中鈣的可提取性；同時，在提取過程中可在局部形成鈣離子過飽和的液相環(huán)境，動力學上促進亞穩(wěn)態(tài)、易溶解文石晶型的生成，從而在弱酸體系下實現(xiàn)鈣的高效回收。該研究實現(xiàn)了鈣資源的高效回收與高值化利用，為甲殼類加工廢棄物的資源化利用提供了新的研究思路和技術(shù)路徑，對推動水產(chǎn)副產(chǎn)物的綠色加工與可持續(xù)開發(fā)具重要參考價值。

研究亮點

?開發(fā)了一種從小龍蝦殼中高效提取鈣的工藝。
? 瞬時彈射蒸汽爆破（ICSE）處理使殼體粒徑最大降低56.03%。
? ICSE 預處理使殼體中鈣的相對含量提高了16.4%。
? ICSE 預處理實現(xiàn)了小龍蝦殼中超過98%的鈣提取率。

研究結(jié)論

該研究證實，ICSE預處理可顯著促進小龍蝦殼粉中鈣的高效回收。具體而言，在ICSE處理條件為2.0 MPa、3 min時，高壓蒸汽的瞬時釋放產(chǎn)生了強烈的剪切作用，使殼粉粒徑顯著降低至97.29 μm，比表面積提高至0.22 m2/g，同時熱降解起始溫度降低，鈣的溶解性顯著增強。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合超聲輔助乙酸提取工藝，鈣的提取率最高可達 98.84%。研究結(jié)果表明，適度的 ICSE 預處理有利于促進蝦殼殼體中鈣的高效釋放。

該研究提出了一種新穎且可行的綠色鈣回收策略，為甲殼類殼體廢棄物的高值化利用提供了良好的應(yīng)用前景。從工業(yè)應(yīng)用角度來看，鈣資源的回收不僅有助于降低廢棄物處理成本和原料消耗，還可將回收的鈣轉(zhuǎn)化為食品級或工業(yè)級產(chǎn)品，從而提升原料利用率和產(chǎn)品附加值，進一步推動殼體副產(chǎn)物的高值化利用及循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。

圖表賞析

圖文摘要

表2 NS和IES的粒徑分布

注：NS：未處理小龍蝦殼粉；IES：瞬時彈射蒸汽爆破處理小龍蝦殼粉；SSA：比表面積；D[4,3]：體積加權(quán)平均直徑；D[3,2]：表面積加權(quán)平均直徑；D50：中位粒徑。同一組內(nèi)，不同小寫上標字母表示差異顯著（P < 0.05）。

圖1ICSE預處理對小龍蝦殼顏色特性的影響。A：ICSE 預處理前后的小龍蝦殼；B：亮度（L*）；C：紅–綠值（a*）；D：黃–藍值（b*）。NS：未處理的小龍蝦殼粉。同一組內(nèi)，不同小寫上標字母表示差異顯著（P < 0.05）。

圖2ICSE預處理對小龍蝦殼表面和切面的微觀結(jié)構(gòu)影響。A：NS、IES-1、IES-2 和 IES-3 的 SEM 圖、表面特征及三維表面圖；B：表面粗糙度參數(shù) Ra 和 Rq；C：SEM 橫截面形貌特征；D：橫截面分形維數(shù)。NS：未處理的小龍蝦殼粉；IES-1：0.8 MPa 處理 3 min 的小龍蝦殼粉；IES-2：2.0 MPa 處理 3 min 的小龍蝦殼粉；IES-3：2.0 MPa 處理 7 min 的小龍蝦殼粉。Ra：算術(shù)平均粗糙度；Rq：均方根粗糙度。同一組內(nèi)，不同小寫上標字母表示差異顯著（P < 0.05）。

圖3ICSE預處理對小龍蝦殼FTIR和XRD特性的影響。A：NS、IES-1、IES-2 和 IES-3 的 FTIR 光譜（650–4000 cm?1）；B：FTIR 光譜（750–1500 cm?1）；C：樣品的 XRD 圖譜。

圖4瞬時彈射蒸汽爆破（ICSE）預處理對小龍蝦殼熱穩(wěn)定性的影響。A: 熱重分析（TGA）；B: 微分熱重（DTG）；C: 差示掃描量熱（DSC）。

圖5瞬時彈射蒸汽爆破（ICSE）預處理聯(lián)合超聲輔助有機酸提取的作用機制

第一作者及團隊簡介

王宏，女，現(xiàn)為合肥工業(yè)大學食品與生物工程學院2023級食品科學與工程碩士研究生，主要研究方向為水產(chǎn)品加工副產(chǎn)物的高值化利用。

合肥工業(yè)大學陸劍鋒教授團隊長期致力于水產(chǎn)動物營養(yǎng)、水產(chǎn)品加工、貯藏保鮮與副產(chǎn)物高值化利用研究。該研究成果主要依托于合肥市農(nóng)業(yè)行業(yè)（小龍蝦加工）首席專家工作室，為我國小龍蝦產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了重要技術(shù)保障，也為甲殼類副產(chǎn)物的綠色高值化利用拓展了新思路。該研究還獲得國家重點研發(fā)計劃（2023YFD2401500）、國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（蝦蟹）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-48）以及安徽省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（水產(chǎn)）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（AARS-08）等多個項目資金的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.biteb.2025.102522